Produktionsplanung und -steuerung in der chemischen Industrie: Ressourceneinsatzplanung von Batchprozessen auf Mehrzweckanlagen

240 Pages·1999·6.89 MB·German

by  Ferdinand Blömer (auth.)

Blömer
Produktionsplanung und -steuerung in der chemischen Industrie
GABLER EDITION WISSENSCHAFT
Produktion und Logistik
Herausgegeben von
Professor Dr. Wolfgang Domschke,
Technische Universität Darmstadt,
Professor Dr. Andreas Drexl,
Universität Kiel,
Professor Dr. Bernhard Fleischmann,
Universität Augsburg,
Professor Dr. Hans-Otto Günther,
Technische Universität Berlin,
Professor Dr. Christoph Haehling von Lanzenauer,
Freie Universität Berlin,
Professor Dr. Karllnderfurth,
Universität Magdeburg,
Professor Dr. Klaus Neumann,
Universität Karlsruhe,
Professor Dr. Christoph Schneeweiß,
Universität Mannheim,
Professor Dr. Hartmut Stadtier,
Technische Universität Darmstadt,
Professor Dr. Horst Tempelmeier,
Universität zu Köln,
Professor Dr. Gerhard Wäscher,
Universität Halle-Wittenberg
Kontakt: Professor Dr. Hans-Otto Günther, Technische Universität Berlin,
FG BWL - Produktionsmanagement, Wilmersdorfer Str. 148, 10585 Berlin
Diese Reihe dient der Veröffentlichung neuer Forschungsergebnisse auf
den Gebieten der Produktion und Logistik. Aufgenommen werden vor
allem herausragende quantitativ orientierte Dissertationen und Habilita
tionsschriften. Die Publikationen vermitteln innovative Beiträge zur Lösung
praktischer Anwendungsprobleme der Produktion und Logistik unter
Einsatz quantitativer Methoden und moderner Informationstechnologie.
Ferdinand Blömer
Produktionsplanung
und -steuerung in der
chemischen Inaustrie
Ressourceneinsatzplanung von Batch
prozessen auf Mehrzweckanlagen
Mit einem Geleitwort
von Prof. Dr. Hans-Otto Günther
DeutscherUniversitätsV erlag
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
BlOmer, Ferdinancl:
Produktionsplonung und -steuerung in der chemischen Industrie :
Ressourceneinsatzplonung von Botchprozessen ouf Mehrzweckonlogen
/ Ferdinond Blomer. Mit einem Geleitw. von Hons-Olto Giinther.
-Wiesboden : Dt. Univ.-Verl. ; Wiesboden : Gobler, 1999
(Gobler Edition Wissenschoft : Produktion und Logistik)
Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Dsis., 1999
ISBN 978-3-8244-6968-0 ISBN 978-3-322-95210-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-95210-3
083
Alle Rechte vorbeholten
© Betriebswirtschoftlicher Verlog Dr. Th. Gobler GmbH, Wiesboden, und
Deutscher Universitats-Verlog GmbH, Wiesboden, 1999
Lektorot: Ute Wrosmonn / Michoel GlieBner
Der Gobler Verlog und der Deutsche Universitats-Verlog sind Unternehmen der
Bertelsmonn Fochinformotion GmbH.
Dos Werk einschlieBlich oller seiner Teile ist urheberrech~ich geschiitzt. Jede
Verwertung ou/3erholb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist
ohne Zustimmung des Verlag~ş unzulassig und strofbar. Dos gilt insbeson
dere fur Vervielliiltigungen, Ubersetzungen, Mikrover~lmungen und die
Einspeicherung und Verorbeitung in elektronischen Systemen.
http://www.gobler-online.de
http://www.duv.de
H&hste inhol~iche und technische Quolitat unserer Produkte ist unser ZieI. Bei der Produktion und
Verbreitung unserer Biicher wollen wir die Umwelt schonen. Dieses Buch ist desholb ouf săure­
freiem und chlorfrei gebleichtem Popier gedruckt. Die EinschweiBfolie besteht ous Polyăthylen
und domit ous orgonischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Verbren
nung Schodstoffe freisetzen.
Die Wiedergobe von Gebrouchsnomen, Hondelsnomen, Worenbezeichnungen usw. in diesem
Werk berechtigt ouch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annohme, dos solche Nomen
im Sinne der Worenzeichen-und Morkenschutz-Gesetzgebung 015 frei zu betrochten wăren und
doher von jedermonn benutzt werden diirften.
ISBN 978-3-8244-6968-0
Wenn der Mensch sich etwas vornimmt,
so ist ihm mehr möglich als man glaubt.
Pestalozzi
VII
Geleitwort
In der chemischen Industrie, die durch den Einsatz äußerst kapita1intensiver, verfahrens
technischer Prozesse geprägt ist, hat sich zuletzt ein Strukturwandel vollzogen, der durch die
Abkehr von Massenprodukten und die zunehmende Produktion von Spezialchemikalien
gekennzeichnet ist. Hierbei wird überwiegend auf Mehrzweckanlagen zurückgegriffen, die
flexibel für eine Vielzahl von Prozeßschritten eingesetzt werden können. Bei chemischer
Batchproduktion stellen die Einsatzplanung der Produktionsanlagen, die Bildung von
Kampagnen sowie die logistische Koordination der verschiedenen Produktionsstufen äußerst
komplexe Optimierungsprobleme dar, für die sich bisher in der industriellen Praxis keine
wissenschaftlich fundierte Methodik durchgesetzt hat.
Das zentrale Problem der Ressourceneinsatzplanung von Mehrzweckanlagen besteht in der Wahl
der Batchgrößen sowie in der Zuordnung der einzelnen Prozeßschritte zu den jeweiligen Anla
geneinheiten unter Beachtung komplexer Verfahrensbedingungen. Hierfür entwickelt Herr
Blömer verschiedene heuristische Lösungskonzepte. Dabei wird auf das sog. State-Task-Netz
werk-Konzept als allgemeines Repräsentationsschema zur Abbildung verfahrenstechnischer
Prozesse sowie auf die gemischt-ganzzahlige Optimierung als flexibles ModelIierungsinstrumen
tarium zurückgegriffen. Der gewählte Ansatz besteht aus einem Eröffnungsschritt, für den ver
schiedene LP-basierte Heuristiken vorgeschlagen werden, und aus einem Verbesserungsschritt,
der den zuvor ermittelten Belegungsplan komprimiert.
Die Leistungsfahigkeit der entwickelten Ansätze wird durch umfangreiche numerische Un
tersuchungen eindrucksvoll unter Beweis gestellt. Hierzu werden nicht nur Testfalle aus der
internationalen Literatur, sondern auch reale Musterprozesse aus der Industrie herangezogen. Die
erzielten Ergebnisse sind bemerkenswert, zumal aus der wissenschaftlichen Literatur für die
untersuchten Planungsprobleme bisher kein Standardlösungsverfahren bekannt ist. Die Vorteile
für den industriellen Anwender liegen in einer verkürzten Gesamtbelegungsdauer und somit in
einer höheren Produktivität der eingesetzten Anlagen. Abgerundet wird die Arbeit durch den
konzeptionellen Entwurf eines interaktiven Planungssystems, in das die entwickelten
heuristischen Ansätze integriert werden können.
Reflektiert man die verbreitete Literatur, so fallt auf, daß die produktionswirtschaftliche For
schung überwiegend an Stückfertigungsprozessen ausgerichtet ist, deren Problemstellungen sich
von der verfahrenstechnischen Produktion grundlegend unterscheiden. Insofern leistet Herr
Blömer mit seiner Arbeit wesentliche Beiträge zu einem in verschiedenen Wissenschaftsdiszipli
nen (produktionswirtschaft, Operations Research, Verfahrenstechnik bzw. Ingenieurwissen
schaften) bisher zu Unrecht vernachlässigten Forschungsthema. Nicht zuletzt aus diesem Grunde
stellt die vorliegende Arbeit nach meiner Überzeugung eine wesentliche Bereicherung der pro
duktionswirtschaftlichen Literatur dar. Sie ist darüber hinaus von erheblicher Relevanz für die
chemisch-pharmazeutische Industrie. Ich wünsche der Arbeit daher eine weite Verbreitung und
eine interessierte Leserschaft.
Prof. Dr. Hans-Otto Günther
IX
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Fachgebiet Produktionsmanagement im Institut für Betriebswirtschaftlehre der Technischen
Universität Berlin. Sie wurde im Januar 1999 vom Fachbereich Wirtschaft und Management der
TU Berlin als Dissertation angenommen.
Besonders danken möchte ich meinem akademischen Lehrer, Herrn Prof. Dr. H.O. Günther, der
mich zur Untersuchung des Arbeitsgebietes "Produktionsplanung und -steuerung in der
Prozeßindustrie" - abseits von den "klassischen" Pfaden der Produktionswirtschaft -ennuntert
hat. Dank seiner Unterstützung, sei es durch das fortwährende Einbringen neuer Ideen, den
Zwang zu ständiger kritischer wissenschaftlicher Diskussion von Fortschritten oder die
Förderung der (internationalen) Publikation der erzielten Ergebnisse, konnte die Arbeit
zielgerichtet und ohne größere Motivationsprobleme gelingen.
Herzlicher Dank gilt außerdem Herrn Prof. Dr. K. Inderfurth von der Universität Magdeburg,
der sich kurzfristig bereit erklärte, die Erstellung des Zweitgutachtens zu übernehmen.
Weiterhin möchte ich den Herren Prof. Dr. Domschke, Prof. Dr. Drexl, Prof. Dr. Fleischmann,
Prof. Dr. StadtIer, Prof. Dr. Voß und insbesondere Herrn Prof. Dr. Tempelmeier, der im Rah
men meines Studiums an der Technischen Universität Braunschweig mein Interesse für die Pro
blematiken der Produktionswirtschaft weckte, für die alljährliche Organisation der Doktoranden
seminare danken, die neben fruchtbaren (interdisziplinären) Diskussionen vor allem äußerst effi
zient zum Aufbau eines Netzwerkes von "Mitstreitern" beitrugen, was gerade im Anfangsstadium
der Anfertigung einer Dissertation von großer Bedeutung ist.
Neben der wissenschaftlichen Arbeit spielt darüber hinaus vor allen Dingen das persönliche Um
feld eine große Rolle. Hier möchte ich zunächst meinen ,,Altkollegen" Martin Grunow, Mario
Lochmann und Axel Schrecker danken, die fast zeitgleich mit mir ihre Arbeit am Lehrstuhl auf
nahmen. Ich rechne es Ihnen hoch an, daß sie trotz eigener Belastung immer Zeit für fachliche
und private Gespräche fanden und daß man sich in Engpaßsituationen immer auf sie verlassen
konnte, und wünsche mir weiterhin, daß sich unserer Freundschaft auch über räumliche und
zeitliche "Nebenbedingungen" hinwegsetzen wird. Weiterhin danke ich unseren Projektmitar
beitern Andreas Föhrenbach und Jun-Der Leu, unserer Sekretärin Hanni Just sowie unseren Tu
toren Christoph Hartmann, Lars Jäger, Atthina Paissi, Martin Reinecke, Torsten Rust und Martin
Schleusener für ihre Unterstützung und die äußerst angenehme Arbeitsatmosphäre am Lehrstuhl.
Schließlich aber wäre es zur Erstellung dieser Arbeit gar nicht gekommen, wenn mir meine
Eltern nicht eine entsprechende Ausbildung zuteil werden lassen hätten. Mein größter Dank
allerdings gilt meiner Ehefrau Marietta, die mich über den gesamten Entstehungsprozeß hin
motiviert und unterstützt hat.
Ferdinand Blömer
XI
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzciclmia .................................................................................................................. xv
TabeHenvt:rzcicbnis ..................................................................................................................... XIX
1 Einleitung ..................................................................................................................................... 1
1.1 Zielsetzung und Motivation der Arbeit ...................................................................................................... 1
1.2 Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit .................................................................................................... 3
2 Grundlagen der vt:rfabrenstecbniscbcn Produktion ................................................................... 5
2.1 Verfahrens technische Produktion ............................................................................................................... 5
2.1.1 Abgrenzung der verfahrens technischen Produktion von der diskreten
Produktion ........................................................................................................................................... 5
2.1.2 Merkmale der verfahrenst.echnischen Produktion ........................................................................ 7
2.2 Technologische Ausgestaltung der Prozeßproduktion ............................................................................ 9
2.2.1 Prozeßfiihrung .................................................................................................................................. 10
2.2.1.1 Kontinuierliche Prozeßfiihrung ................................................................................... 11
2.2.1.2 Batchproduktion ............................................................................................................. 12
2.2.1.3 Semikontinuierliche Prozeßfiihrung ............................................................................ 12
2.2.2 Anlagentypen (Ausrüstung) ............................................................................................................ 13
2.2.2.1 Mehrzweckanlagen (MZA) ........................................................................................... 13
2.2.2.2 Mehrproduktanlagen (MPA) ......................................................................................... 13
2.2.2.3 Einproduktanlagen (EPA) bzw. Mono-Anlagen ....................................................... 14
2.2.2.4 Einsatzgebiet.e ................................................................................................................. 14
2.2.3 Anlagenfahrweise ............................................................................................................................. 15
2.2.3.1 Kampagnenfahrweise ..................................................................................................... 15
2.2.3.2 Mischfahrweise ~,Short-tetm mode'j ......................................................................... 16
2.2.4 Produktionstypen in der Prozeßproduktion ................................................................................ 17
2.2.5 Struktur verfahrenst.echnischer Anlagenkomplexe ..................................................................... 18
2.3 Klassifikationsmerkmale der Batchproduktion auf Mehrzweckanlagen ............................................. 20
2.3.1 Anlagenbezogene Merkmale ........................................................................................................... 20
2.3.2 Lagerungsmodi ................................................................................................................................. 21
2.3.3 Prozeßbezogene Merkmale ............................................................................................................. 24
XII Inhal tsverzeichnis
2.3.4 Zusanunenfassung des Klassifikationsschemas ..... .. 26
2.4 Darstellungsformen chemischer Prozesse .. . ..... 27
2.4.1 Darstellung als Rezeptur .... .. ... 28
2.4.2 State-Task-Netzwerk (STN) Konzept. .. .. .. 29
2.5 Produktionsplanung und -steuerung in der Prozeßindustrie .. .. ..... 32
2.5.1 Planungs probleme und -ebenen der Produktionsplanung und
-steuerung .. ........ 32
2.5.2 Informationsebenen der Produktionsplanung und -steuerung ............................................... 35
3 Produktionsplanung bei kontinuierlicher Prozeßführung ......................................................... 37
3.1 Hauptproduktionsprogranunplanung .......................... . .. ...................................................... 37
3.2 Ressourceneinsatzplanung ............... . . .................................................. 38
3.2.1 Planungsprobleme und Literaturiiberblick über Lösungsansätze für
einstufige Prozesse .................. . .._ ................................................................. 38
3.2.2 Planungsprobleme und Literaturiiberblick über Lösungsansätze für
zweistufige Prozesse ...................... .
3.2.3 Planungsprobleme und Literaturiiberblick über Lösungsansätze für mehrstufige
Prozesse .. .. ....................................................................................................................... 44
4 Produktionsplanung bei Batchprozessen ................................................................................... 51
4.1 Kampagnenplanung ..................................... . . ...... 51
4.1.1 Darstellung eines gemischt-ganzzahligen Optimierungsmodells ........................................... 53
4.1.2 Literaturiiberblick über Lösungsverfahren zur Kampagnenplanung .................................... 61
4.1.2.1 Sequentielle/hierarchische Lösungsansätze ............................................................ 61
4.1.2.2 Simultane Lösungsansätze ... ..................................................................... 62
4.2 Ressourceneinsatzplanung (Mischbetrieb) ..... .. ............. 63
4.2.1 Formulierungsvarianten von gemischt-ganzzahlige Optimierungs
modellen für die Ablaufplanung von Batchprozessen .. . ............... 65
4.2.1.1 Entwicklung eines Modells mit diskreter Zeitführung. .. .. ............. 66
4.2.1.2 Darstellung eines Modells mit kontinuierlicher Zeitführung ................................ 70
4.2.2 Literaturiiberblick zur Ressourceneinsatzplanung von Batchprozessen .. .. ....... 73
4.2.2.1 Lösungsansätze für einstufige Planungsprobleme ................................................. 73
4.2.2.2 Lösungsansätze für mehrstufige Prozesse ........... . . ......................................... 74
4.2.2.3 Detaillierter Vergleich und Klassifikation der Lösungsansätze
zur Ablaufplanung der mehrstufigen Batchproduktion ... .. ..... 81
Inhaltsverzeiclmis XIII
4.3 Verwandte Ablaufplanungsprobleme ................................ . .85
4.3.1 Online-Scheduling .......... . .. ............... 85
4.3.2 Berücksichtigung von Unsicherheiten bei der Ablaufplanung ......... . .. ........ 86
4.3.3 Simultane Konfigurations-und Ablaufplanung ........................................................... . .. .... 87
5 Alternativer Lösungsansitze für die Ressourceneinsatzplanung von Mehrzweckanlagen ....... 89
5.1 Konzepte zur Lösung operativer Planungs probleme ...... . .. .......................... 89
5.2 Diskussion von Lösungsverfahren im Hinblick auf die Anforderungen des Planungsproblems .90
5.3 Darstellung alternativer Lösungsansätze ... .. ....................... 93
5.3.1 Überblick über den entwickelten Lösungsansatz. .. ..................................................... 93
5.3.2 Erweiterung des zeitdiskreten gemischt-ganzzahligen Optimierungs
modells zur Ressourceneinsatzplanung bei Batchprozessen .. .. ...................... 95
5.3.2.1 Defmition alternativer Ziel kriterien .......................... 96
5.3.2.2 Erweiterungsmäglichkeiten des LP-Modells . .. ............ 100
5.3.2.3 Implementierung des Modells ...................................... . .................................. 103
5.3.3 Generierung einer Startläsung mit Hilfe von LP-basierten Heuristiken ............................. 105
5.3.3.1 Vorgabe von Auflagezeitpunkten (Zeitraster-Heuristik) ....................................... 107
5.3.3.2 Ebenenweise-sukzessive Lösung (Kapazitätsstufen-Heuristik) .... .. ..... 110
5.3.3.3 Produktlinienweise-sukzessive Lösung (produktlinien-
Heuristik) ... .. ................... . .. ... 112
5.3.3.4 Periodenweise-sukzessive Lösung (Zeitfenster-Heuristik). .. . 114
5.3.3.5 Kombinationen der Heuristiken ................................ . ............... 117
5.3.4 Verbesserung der Lösung des Eräffnungsverfahrens ..... . .117
5.3.4.1 Einsatz eines LP-Modells ................................................... . .. ................ 118
5.3.4.2 Einsatz der Simulation mit Dispatch-Methoden .................... . .. .. 122
6 Numerische Untersuchung der entwickelten Lösungsansitze ............................................... 127
6.1 Charakteristika der Testprobleme .................. . .. ........................................... 127
6.1.1 Dokumentation der Testprobleme ................................... 129
6.1.1.1 Prozeß I: Shah et al. (1993b). .. ........ 130
6.1.1.2 Prozeß II: Kondili et al. (1993) .................................................................................. 132
6.1.1.3 Prozeß III: Westenberger/Kallrath (1994) ..................... 133
6.1.1.4 Prozeß IV: Papageorgiou/Pantelides (1993) .......................................................... 136
6.1.2 Darstellung der Probleminstanzen ........................... . .. .................................. 138